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奥特迅李志刚:构筑电动汽车柔性充电系统

(2020-02-02) 电动汽车

李志刚

深圳奥特迅电力设备股份有限公司总工程师

各位领导、各位专家,下午好!十分感谢百人会给我们这个机会,让我们能做这场汇报。我汇报的题目是构筑安全高效的电动汽车柔性充电系统。

背景方面大家都讲了很多,我就不讲了。

根据目前我们已有的电动汽车故障的类型,我们分成四类,第一类是因为电动汽车自身的原因,比如说车辆电池原因自燃,内部故障、内部线路短路、零部件的损坏,比如说BMS、SBT等等。第二类是电动汽车的充电设施出现了故障,比如说中转充电、电池过充、充电设备故障,以及配电设备故障等。第三类是人为原因导致的故障,比如说碰撞、接线错误或者是强制充电。第四类是因为环境因素导致的故障,比如说浸水、漏电或者是雷击。

导致这些事故的主要原因可能有以下几个方面:

第一方面,标准还需要进一步完善以及制定好的标准需要进行宣贯的工作,像现在比较紧缺的电池管理标准,还有新旧接口兼容以及消防标准。

第二方面产品质量的问题,涉及BMS、充电设备、充电接口以及电缆等。

第三方面是工程建设问题,包括充电站的选址问题,包括整站的防雷接地,以及各种防撞措施。

第四方面是监控和保护功能不完善,比如说现在很多的充电站只做了充电的监控,但是配电的监控很多都没有做,甚至有一些站就因为变压器的过载导致了变压器故障。

第五方面是场站管理人员的培训和规范化的管理。

总体来说,电动汽车充电安全是一个比较复杂的系统工程,涉及到标准、产品质量、监控、保护以及管理等各个方面,这需要各个方面协同合作,只有全行业都意识到充电安全的重要性,从重功能、重成本向着重安全、重可靠性的方向转变,才能真正地提升电动汽车充电的安全性。

接下来我谈一下充电安全的几个误区,刚才已经有一些嘉宾讲到了,我讲的也不一定完全对,欢迎大家指正。

第一,现在还是有很多人觉得飞线充电方式比较简单方便,所以就利用飞线方式充电,早期电动自行车就已经出现了很多的安全隐患,采用飞线充电一般采用的就是普通的家庭插座,缺少必要的保护和监控,比如说过、欠压保护、短路及过载保护、漏电保护、过温保护等,存在极大的安全隐患,不建议采用。

第二,在电动汽车发生过充的时候,基本上是充电设备的问题,刚才刘主任讲的内容里面也涉及到,对电动汽车充电的过程来说,BMS就是总指挥,无论在什么情况下,BMS最后断开主回路是最后的保障,所以说不管什么情况,对电动车充电的过程中,BMS是极其关键的。另外,对充电设备而言,根据自己采集的一些信息来做一些辅助的主动保护,来保证在BMS出现问题的时候也能起到一定的保护作用。我觉得就安全方面来讲,双方的职责要界定得比较清晰。

第三,现在国内都有一个观点,对于电池管理系统而言,均衡的功能是十分重要的。其实,均衡回路有注意提升整个的动力电池组的电压一致性,但是对于单体电池的不一致性并不能改善,也不能修复由于电池本身的裂化的问题。本身对电池充电的安全性的作用也是极为有限的。在我们接触的一些案例e里面,在一些电池做得比较好的时候,可以补设均衡电路,或者仅设被动的均衡电路,而且运行效果也比较好。而且均衡电路有的时候会掩盖一部分电池本身的特性的不一致性问题。

所以从这个角度来讲,从整个提高电池的安全性方面而言,还是应该从电池自身方面提升它的安全性,而不是通过外面的一些辅助的功能提升。

下面我再介绍一下我们的矩阵式柔性充电堆的解决方案,什么叫柔性充电堆?就是把整个充电站内部的全部或者是一部分的智能充电模块以及整站的智能监控系统结合在一起,利用计算机控制技术对智能充电模块进行集中的控制和管理,并且动态分配,从而给电动汽车充电提供电能。

根据下面的图(ppt)大家可以看到,在常规的充电机里面是一组模块对一个终端,来给一两辆车充电,这种模式存在着整个充电功率基本上是固定的问题,它针对不同的车型就会存在功率固化、功率不能很好地适应车的需求的情况。

在右面的图里(ppt),我们是把整 QQ外挂 站的充电模块都集成在一起,变成了一个集中的充电模块的堆,充电模块就变成了集中控制,他们之间的功率都是完全共享的。

同时在模块堆的下面安装了智能调度的模块,对所有的模块进行统一调度,根据车辆的需要实现按需分配。

这是我们充电堆的几种标准的形式,第一种是标准型,也就是微模块型,放在室内。第三是户外型,集装箱型,第三是分散型。同时为了跟充电堆配合,我们有智能型的智能充电终端,安装在每个车位的一侧,另外我们整个站可以配集中的控制终端,对整站的操作进行控制。

由于采用了所有的模块的共享的技术,所以充电堆就具有了几个比较显著的特点,第一是它的兼容比较广,这一块可以实现攻略的兼容性,也就是说根据实际的需要来进行攻略的分配。

第二,这种做法效率会做得比较高,因为在整个充电的过程中,整个充电机的负载率可以控制在一个比较好的负载率的区间里面,所以说整个的充电系统的效率会比较高。同时,由于模块是共用的,在不同的场景下,模块是可以退出来投到别的终端上去的。所以说整个设备的利用率比较高。

第三,它可以适应未来更大功率充电的需要,所以将来可以避免重复投资。

第四,由于充电堆是集成在一起进行集中控制的,所以可以形成一个比较好的运行环境,这样的话实际上充电模块的寿命可以得到比较大幅度的提升。

今天主要讲的是充电设备的安全性,在充电堆里面我们做了很完善的分级的保护机制,按照标准分三级,第一级是人身安全级别的故障,包括整个系统要采用交直流隔离,同时像绝缘故障保护、漏电保护、急停故障保护、PE断线故障保护、烟雾检测、电子锁等保护。因为现在所有充电站内的设备的保护都是基于外壳是有效接地的,一旦PE线断了之后,这一块的保护就失去意义了,所以PE线保护还是很关键的。

第二是设备安全级别的故障,包括输入过/欠压保护、缺相保护、短路、过载、过温、输出过压保护、输出过流保护、电池组过压保护、单体电池过压、单体电池过温保护、电池组过流保护、接触器黏连保护,现在充电柜之间要重新接线,一旦接反了之后会直接损坏电动汽车里面的保险,所以这方面的保护也是非常必要的。

第三,有些告警提示级别的故障,包括绝缘降低和模块方面的故障。

第二,改善关键设备的运行环境,可以显著降低设备的故障率。通过这张表(ppt)大家可以看出,随着温度的上升,不管是电容还是电子元器件,它的故障率是显著提升的。经过我们实测,采用这种充电堆技术之后,里面加了隔离散热的风道,整个的运行环境使一体机里面的温度可以降低5度,可以显著提高它的寿命。

第三,功能完善的绝缘监测电路,目前不管是电动汽车还是充电机,电动汽车目前大量采用的是注入低频信号的绝缘监测方法,多数充电设备采用的平衡桥检测方法,均无法检测正负平衡接地故障。由于电线的老化使得电线绝缘是均匀下降的,在这种情况下,如果不具备平衡接地的检测,就会存在一定的安全隐患。

第四,灵活多样的柔性充电策略,本来充电堆的应用场是针对社会上不同的充电功率需求的车子,实际上后来在这方面应用到公交场站之后,公交场站反馈的效果是特别好的,应用到公交场站可以实现在夜间谷期的时候,所有的功率是平分,用小的功率给车辆充电的,同时给场站所有的车辆充电,而且在夜间的时候是不需要移车的。白天的时候需要大功率补电。所以在夜间可以用很小的功率同时给很多的终端一起充,白天可以对很多终端进行150安最大电流的快充,特别适合公交场站的要求。而且在夜间由于不需要移车,也避免了夜间光纤不好,移车过程中导致车辆的擦碰等问题,而且整个夜间充电功率比较小,使得出现安全问题的几率大很多。

第五,对整站进行全面监控和充电的完整记录,全面的监控包括配电、充电以及整个环境的监控,同时对充电过程中的所有的充电过程曲线,包括需求的电压、电流以及实际的充电电压、电流和SOC的变化曲线,都可以在充电监控里进行完整的记录,事后可以进行清楚的故障分析。

谢谢大家!

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